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Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung, insbesondere zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einer Kupplung, die im Leistungspfad zwischen einem drehend antreibbaren Gehäuse und einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, und einem steuerbaren Aktuator zum Betätigen der Kupplung derart, dass ein erstes Kupplungsteil und ein zweites Kupplungsteil zur Übertragung eines Drehmoments optional miteinander verbunden beziehungsweise durch Öffnen wieder voneinander getrennt werden können. Derartige Antriebsanordnungen dienen zur Steuerung der Drehmomentübertragung zwischen einer Antriebsquelle und der Antriebsachse des Kraftfahrzeugs. Eine Antriebsanordnung kann ferner eine Getriebeeinheit umfassen, beispielsweise ein Differentialgetriebe, welches ein eingeleitetes Drehmoment auf die zwei Seitenwellen der Antriebsachse aufteilt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Montage einer solchen Antriebsanordnung.
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Aus der
DE 10 2009 056 088 A1 ist eine Differentialanordnung mit einer Kupplungsanordnung bekannt. Die Differentialanordnung umfasst ein Antriebsrad, ein Differentialgetriebe und eine Kupplung, die zwischen dem Antriebsrad und dem Differentialgetriebe wirksam angeordnet ist. Es ist ferner ein Aktuator zum Betätigen der Kupplung, ein Sensor zur Ermittlung von mehreren Schaltstellungen der Kupplung und ein Geberelement vorgesehen, das mit dem Sensor zusammenwirkt. Das Geberelement ist in Form einer Ringscheibe gestaltet, die radial innen mehrere über den Umfang verteilte und sich in axialer Richtung erstreckende federnde Rastelemente aufweist. Die federnden Rastelemente greifen formschlüssig in Hinterschneidungen an axialen Ansätzen des axial beweglichen Kupplungsteils der Kupplung ein.
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Aus der
EP 1 142 743 A2 ist eine von einem Elektromotor antreibbare Getriebeanordnung bekannt. Die Getriebeanordnung weist einen Untersetzungsmechanismus auf, mit dem eine vom Elektromotor eingeleitete Drehbewegung ins Langsame übersetzt wird, sowie ein im Leistungspfad nachgeschaltetes Differentialgetriebe, welches das eingeleitete Drehmoment auf zwei Seitenwellen aufteilt. In einer Ausführungsform ist zwischen dem Differentialgehäuse und dem Differentialkorb eine schaltbare Formschlusskupplung vorgesehen, mit dem Drehmoment optional vom Differentialgehäuse auf den Differentialkorb übertragbar ist. Die Formschlusskupplung weist ein axial bewegbares Kupplungsteil mit einem Kupplungsring auf, der im Inneren des Differentialkorbs angeordnet ist.
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Aus der
DE 689 05 684 T2 ist eine Kraftübertragungsvorrichtung mit Differentialgetriebe und einer Flüssigkeitsreibungskupplung bekannt. Zum Schalten der Flüssigkeitsreibungskupplung ist eine formschlüssige Kupplung vorgesehen, welche innerhalb des Differentialgehäuses angeordnet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanordnung, insbesondere zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, vorzuschlagen, die einfach montierbar ist, eine sichere Anbindung des Geberelements gewährleistet und eine zuverlässige Erkennung des Schaltzustands der Kupplung ermöglicht. Die Aufgabe besteht ferner darin, ein entsprechendes Verfahren zur Montage einer solchen Antriebsanordnung vorzuschlagen, das einfach durchführbar ist und eine sichere Befestigung des Geberelements und zuverlässige Schaltzustandserkennung der Kupplung ermöglicht.
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Eine Lösung besteht in einer Antriebsanordnung umfassend: ein drehend antreibbares Gehäuse, ein Abtriebsteil und eine Kupplung, welche im Leistungspfad zwischen dem drehend antreibbaren Gehäuse und dem Abtriebsteil angeordnet ist, wobei die Kupplung ein erstes Kupplungsteil aufweist, das relativ zum Gehäuse drehfest und axial beweglich gehalten ist, sowie ein zweites Kupplungsteil, das mit dem Abtriebsteil fest verbunden ist und innerhalb des drehend antreibbaren Gehäuses angeordnet ist, einen steuerbaren Aktuator zum Betätigen der Kupplung derart, dass das erste Kupplungsteil und das zweite Kupplungsteil zur Übertragung eines Drehmoments optional miteinander verbindbar sind; ein Geberelement, das bei Betätigung der Kupplung axial bewegbar ist; einen Sensor, der zum Erfassen von Schaltstellungen der Kupplung mit dem Geberelement zusammenwirkt; wobei das erste Kupplungsteil einen Ringabschnitt aufweist, der außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und mehrere Nockenelemente, die sich axial von dem Ringabschnitt durch Öffnungen im Gehäuse in das Innere des Gehäuses hineinerstrecken. Die Nockenelemente des ersten Kupplungsteils können mit dem zweiten Kupplungsteil zur Drehmomentübertragung in Eingriff gebracht werden. Die Antriebsanordnung kann insbesondere zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs verwendet werden.
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Dadurch, dass der Ringabschnitt des beweglichen Kupplungsteils außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, kann eine Verbindung zwischen dem Kupplungsteil und dem Geberelement in vorteilhafter Weise besonders robust gestaltet werden. Insbesondere kann sich das Geberelement zumindest über den größten Teil seiner Umfangserstreckung, vorzugsweise über den gesamten Umfang, an dem ersten Kupplungsteil axial abstützen. Auf diese Weise ergibt sich eine ebene Anlagefläche über den Umfang und ungewünschte Verformungen des Geberelements werden vermieden. Insgesamt wird hiermit eine hohe Steifigkeit beziehungsweise Festigkeit der aus Kupplungsteil und Geberelement zusammengesetzten Baugruppe erreicht, was sich wiederum günstig auf die Genauigkeit der Sensierung im Zusammenspiel des Geberelements und dem Sensor auswirkt. Ein weiterer Vorteil des außerhalb des Gehäuses angeordneten Ringabschnitts des ersten Kupplungsteils liegt darin, dass hiermit eine besonders zuverlässige radiale Lagerung und axiale Führung erreicht wird. Eine optional mit dem ersten Kupplungsteil zu verbindende Gleitscheibe wird in günstiger Weise über den gesamten Umfang abgestützt, was zu einer hohen Steifigkeit und Festigkeit führt.
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Die Kupplung ist vorzugsweise als formschlüssige Kupplung gestaltet, insbesondere in Form einer Zahnkupplung oder einer Klauenkupplung. Es versteht sich, dass auch andere Kupplungsformen denkbar sind, die eine Drehmomentübertragung herstellen bzw. unterbrechen können, beispielsweise eine kraftschlüssige Kupplung wie eine Reiblamellenkupplung. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Nockenelemente jeweils einen Verzahnungsabschnitt an ihrem dem zweiten Kupplungsteil zugewandten Ende auf, der mit einer Gegenverzahnung des zweiten Kupplungsteils optional in oder außer Eingriff bringbar ist.
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Die Verbindung zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem drehend antreibbaren Gehäuse ist derart, dass das erste Kupplungsteil relativ zum Gehäuse axial beweglich und mit diesem drehfest verbunden ist. Der Ringabschnitt des ersten Kupplungsteils ist außerhalb des Gehäuses angeordnet, während die Nockenelemente in die Öffnungen des Gehäuses eingreifen beziehungsweise durch diese hindurch bis ins Innere des Gehäuses hineinreichen. Auf diese Weise wird ein in das erste Kupplungsteil eingeleitetes Drehmoment durch die Nockenelemente auf das drehend antreibbare Gehäuse übertragen.
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Das erste Kupplungsteil ist relativ zum Gehäuse axial geführt und koaxial zentriert. Dies kann nach einer ersten Möglichkeit mittels der Nockenelemente erfolgen, die jeweils mit einer Außenfläche in einer zugehörigen Innenfläche der Öffnungen radial zentriert sind. Dabei sind zwischen den Außenflächen der Nockenelemente und den Innenflächen der Öffnungen jeweils Spielpassungen gebildet, damit eine axiale Beweglichkeit des ersten Kupplungsteils relativ zum Differentialgehäuse gewährleistet ist. Diese Ausgestaltung mit Zentrierung über die Nockenelemente bietet den Vorteil einer zuverlässigen Führung der Nockenelemente und damit auch einen sicheren Eingriff der beiden Kupplungsteile bei Betätigung der Kupplung. Ein ungewünschtes Verkippen des ersten Kupplungsteils wird vermieden. Nach einer zweiten Möglichkeit kann das erste Kupplungsteil auch mittels des Ringabschnitts auf einer Außenfläche des Differentialgehäuses mit leichtem Spiel geführt und radial zentriert sein.
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Die Nockenelemente stehen axial von dem Ringabschnitt ab, und können insofern auch als axiale Vorsprünge bezeichnet werden. Dabei sind der Ringabschnitt und die Nockenelemente vorzugsweise einteilig hergestellt. Es versteht sich jedoch, dass die Nockenelemente und der Ringabschnitt auch zunächst separat hergestellt und nachträglich miteinander verbunden werden können, beispielsweise mittels Schraub- oder Schweißverbindung.
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Die Nockenelemente sind vorzugsweise in den Gehäuseöffnungen axial geführt, so dass ein Verkippen des ersten Kupplungsteils bei Betätigung der Kupplung und damit verbundener axialer Verlagerung des ersten Kupplungsteils vermieden wird. Um ungewünschte Geräuschentwicklung zu verhindern, ist ein jeweils zwischen den Nockenelementen und den zugehörigen Öffnungen gebildetes Drehspiel (Spielpassung in Umfangsrichtung) möglichst gering. Die Anzahl der Nockenelemente entspricht vorzugsweise der Anzahl der Gehäuseöffnungen, welche auch als Durchbrüche bezeichnet werden, und beträgt insbesondere drei, vier oder fünf, wobei prinzipiell auch eine größere Anzahl denkbar ist. Die Nockenelemente beziehungsweise die Durchbrüche sind nach einer bevorzugten Ausgestaltung regelmäßig über den Umfang verteilt angeordnet.
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Der Aktuator ist vorzugsweise außerhalb des Differentialgehäuses, insbesondere axial benachbart zum Ringabschnitt des ersten Kupplungsteils, angeordnet. Das drehend antreibbare Gehäuse der Getriebeeinheit hat vorzugsweise einen Hülsenansatz, auf dem der Ringabschnitt des ersten Kupplungsteils beziehungsweise der Aktuator angeordnet ist. Der Ringabschnitt weist vorzugsweise ein Gleitelement auf, das mit dem Aktuator zusammenwirkt, und insbesondere gegenüber einem drehfesten Bauteil des Aktuators axial abgestützt, aber gegenüber diesem drehbar ist. Das Gleitelement ist insbesondere scheibenförmig gestaltet und sitzt in einer ringförmigen Ausnehmung an der dem Aktuator zugewandten Stirnseite des Ringabschnitts ein. Die axiale Abstützung des Aktuators gegenüber dem Hülsenansatz kann mittelbar über ein Zwischenelement erfolgen, beispielsweise über ein Wälzlager zum Lagern des drehend antreibbaren Gehäuses in einem ortsfesten Gehäuse, oder unmittelbar gegenüber einem ortsfesten Gehäuse.
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Das zweite Kupplungsteil ist innerhalb des drehend antreibbaren Gehäuses angeordnet und mit dem Abtriebsteil fest verbunden. Das Abtriebsteil kann als Trägerelement einer Getriebeeinheit gestaltet sein, über das Drehmoment in die Getriebeeinheit eingeleitet wird. Besonders günstig für eine einfache Fertigung und Montage ist es, wenn das Abtriebsteil und das zweite Kupplungsteil einteilig hergestellt sind. Dabei kann das zweite Kupplungsteil an einer Stirnseite des Abtriebsteils in Form einer Verzahnung oder dergleichen gestaltet sein.
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Das Geberelement ist derart mit dem ersten Kupplungsteil verbunden, dass es bei Betätigung der Kupplung gemeinsam mit dem ersten Kupplungsteil axial bewegt wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Geberelement in zumindest eine Richtung gegenüber dem ersten Kupplungsteil axial abgestützt ist. In Konkretisierung kann das Geberelement nach einer ersten Möglichkeit mit dem ersten Kupplungsteil lösbar verbunden sein. Insbesondere kann das Geberelement radial innen einen ringförmigen Stützabschnitt aufweisen, mit dem es gegen einen Anschlag des ersten Kupplungsteils axial abgestützt ist. Der Anschlag kann als Flanschabschnitt des Kupplungsteils gestaltet sein, wobei andere Ausgestaltungen wie ein Sicherungsring, der in eine Nut des Kupplungsteils eingreift, als Anschlag ebenso denkbar sind. Das Geberelement ist vorzugsweise in Richtung Aktuator axial abgestützt und kann von einer vorgespannten Feder gegen den Anschlag axial beaufschlagt werden.
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In Ergänzung zur axialen Fixierung kann das Geberelement auch drehfest mit dem Kupplungsteil verbunden werden. Es sind auch andere Ausführungen denkbar, das Geberelement mit dem Kupplungsteil zu verbinden, beispielsweise formschlüssige, kraftschlüssige oder stoffschlüssige Verbindungen. Bei diesen Ausführungen, bei denen das Geberelement mit dem Kupplungsteil lösbar oder unlösbar axial und/oder drehfest fixiert ist, ist das Geberelement vorzugweise als im Wesentlichen flaches Blechumformteil gestaltet. Nach einer weiteren Möglichkeit kann das Geberelement auch einteilig mit dem Ringabschnitt gestaltet sein.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung, die für alle genannten Möglichkeiten gilt, weist das Geberelement vorzugsweise eine Ringscheibe auf oder ist als solche gestaltet. Eine Ringscheibe bietet den Vorteil, dass diese über den gesamten Umfang am Kupplungsteil abgestützt beziehungsweise befestigt ist, was sich günstig auf die Steifigkeit und Maßhaltigkeit auswirkt. Das Material des Geberelements ist abhängig vom verwendeten Sensor, welcher die Bewegung des Geberelements sensiert. Bei Verwendung eines Magnetfeldsensors ist das Geberelement aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Wird ein induktiver Sensor verwendet, ist das Geberelement aus einem paramagnetischen Material hergestellt.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Rückstellfeder vorgesehen, die zumindest mittelbar zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem drehend antreibbaren Gehäuse angeordnet ist, wobei die Rückstellfeder das erste Kupplungsteil im Öffnungssinn der Kupplung, das heißt vom zweiten Kupplungsteil weg, beaufschlagt. Zumindest mittelbar bedeutet, dass die Rückstellfeder direkt am Gehäuse beziehungsweise dem ersten Kupplungsteil abgestützt ist oder indirekt über ein weiteres Bauteil, beispielsweise das Geberelement. Die Rückstellfeder sitzt vorzugsweise zwischen dem Gehäuse und der Ringscheibe mit Vorspannung ein und ist insbesondere in Form einer Kegel- oder Schraubenfeder gestaltet, wobei andere Federn, wie beispielsweise eine oder mehrere Tellerfedern ebenso verwendbar sind.
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Der Aktuator ist vorzugsweise als elektromagnetischer Aktuator mit einem Elektromagneten und einen Kolben ausgestaltet. Der Kolben ist so gestaltet, dass er bei Bestromen des Elektromagneten in Richtung zur Kupplung axial beaufschlagt wird und in stromlosen Zustand sich von der Kupplung weg bewegt. Vorzugsweise umfasst der Kolben ein Ankerelement, das insbesondere aus einem ferromagnetischen Material besteht, sowie einen mit dem Ankerelement fest verbundene Hülse, die insbesondere aus einem paramagnetischen Material besteht. Ein elektromagnetischer Aktuator bietet gewisse Vorteile hinsichtlich des Bauraums. Es versteht sich jedoch, dass stattdessen auch ein elektromotorischer, hydraulischer oder pneumatischer Aktuator eingesetzt werden können.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist das Abtriebsteil Teil einer Getriebeeinheit, die in dem drehend antreibbaren Gehäuse angeordnet ist. Die Getriebeeinheit kann in Form eines Differentialgetriebes gestaltet sein, wobei das Abtriebsteil in diesem Fall als Trägerelement des Differentialgetriebes ausgebildet ist. Durch Betätigen der Kupplung wird eine Drehmomentübertragung vom drehend antreibbaren Gehäuse auf das Differentialgetriebe wahlweise hergestellt oder unterbrochen. Mit der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung in Form einer Differentialanordnung werden die oben genannten Vorteile einer einfachen Montage, sicheren Verbindung des Geberelements und einer genauen und zuverlässigen Erfassung der Position des ersten Kupplungsteils erreicht. Dies ermöglicht wiederum eine genaue und schnelle Ansteuerung der Antriebsquelle und damit eine zuverlässige und schnelle Steuerung des Antriebsmoments auf die zugehörige Antriebsachse des Kraftfahrzeugs.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Antriebsanordnung als Elektroantrieb zum Antreiben einer Fahrzeugachse gestaltet sein. Hierfür ist die Getriebeeinheit mit einem Elektromotor antriebsverbunden, der als Antriebsquelle dient. Ein solcher Elektroantrieb kann als Primärantrieb für das Kraftfahrzeug ausgelegt sein, oder als Sekundärantrieb, wobei das Kraftfahrzeug in diesem Fall einen Verbrennungsmotor als Primärantrieb aufweisen kann (Hybridantrieb). Der Elektroantrieb kann zum Antreiben der Vorderachse oder Hinterachse verwendet werden. Der Elektroantrieb umfasst in der Regel ein Untersetzungsgetriebe, das im Leistungspfad zwischen dem Elektromotor und dem Differentialgetriebe angeordnet ist.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zur Montage einer Antriebsanordnung, die gemäß zumindest einer der oben genannten Ausführungsformen gestaltet ist, mit den Schritten: Einsetzen des zweiten Kupplungsteils in das drehend antreibbare Gehäuse; Schließen des Gehäuses; und Aufsetzen des ersten Kupplungsteils auf das Gehäuse derart, dass die Nockenelemente des ersten Kupplungsteils durch die Öffnungen des Gehäuses hindurch in das Innere des Gehäuses eingreifen. Hiermit wird die Montage wesentlich vereinfacht, da das erste Kupplungsteil von außen auf die bereits vormontierte Baueinheit des drehend antreibbaren Gehäuses aufgesetzt werden kann. Der Ringabschnitt des ersten Kupplungsteils befindet sich in montiertem Zustand außerhalb des Gehäuses, so dass auch das Geberelement einfach mit dem Ringabschnitt verbunden werden kann oder einteilig mit diesem gestaltet sein kann.
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Nach einer bevorzugten Verfahrensführung ist das erste Kupplungsteil auf einem Hülsenansatz des Gehäuses axial verschiebbar geführt. Hierfür kann an dem Kupplungsteil eine Gleitscheibe angebracht werden, welche auf einem Lagerabschnitt des Hülsenansatzes axial beweglich geführt wird.
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Vorzugsweise ist vor dem Aufsetzen des ersten Kupplungsteils auf das Gehäuse als weiterer Verfahrensschritt vorgesehen, dass das Geberelement auf das erste Kupplungsteil aufgeschoben wird. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Befestigungselemente nötig sind. In Richtung Aktuator kann sich das Geberelement gegen einen Anschlag des ersten Kupplungsteils axial abstützen. In entgegengesetzter Richtung, das heißt in Richtung zweitem Kupplungsteil, kann das Geberelement über eine Feder am Gehäuse axial abgestützt werden. Auf diese Weise wird das Geberelement gegen den Anschlag vorgespannt, wobei die Feder gleichzeitig als Rückstellfeder zum Beaufschlagen des ersten Kupplungsteils im Öffnungssinne wirkt.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung in einer ersten Ausführungsform im Längsschnitt in geöffneter Schaltposition der Kupplung;
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2 die Antriebsanordnung gemäß 1 in geschlossener Schaltstellung der Kupplung;
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3 Details der Antriebsanordnung aus 1 in vergrößerter Darstellung;
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4 das erste Kupplungsteil der Antriebsanordnung aus 1 als Detail in dreidimensionaler Ansicht von schräg vorne;
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5 eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung in einer zweiten Ausführungsform im Längsschnitt in geöffneter Schaltposition der Kupplung;
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6 eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung als Teil eines Elektroantriebs nach 1 schematisch.
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Die 1 bis 4, welche im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung 1 in einer ersten Ausführungsform. Die Antriebsanordnung 2 umfasst eine Kupplung 4 und eine Getriebeeinheit 3. Die Getriebeeinheit 3 ist vorliegend in Form eines Differentialgetriebes gestaltet, wobei es sich versteht, dass die Antriebsanordnung auch andere Baueinheiten als ein Differentialgetriebe aufweisen kann. Die vorliegende Antriebsanordnung 2 mit Differentialgetriebe dient zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, und zwar zur Verteilung eines eingeleiteten Drehmoments auf die beiden Seitenwellen des Kraftfahrzeugs, wobei eine Drehmomentübertragung zwischen einer Antriebsquelle des Kraftfahrzeugs und den Seitenwellen mittels der Kupplung 4 optional bei Bedarf hergestellt oder unterbrochen werden kann.
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Die Kupplung 4 ist im Leistungspfad zwischen einem Antriebsteil 6 und einem Abtriebsteil 13 angeordnet. Das Antriebsteil ist in Form eines Antriebsrads 6 und das Abtriebsteil ist in Form eine Trägerelements 13 der Getriebeeinheit 3 gestaltet. Zum Betätigen der Kupplung 4 ist ein Aktuator 5 vorgesehen. Über das Antriebsrad 6 kann Drehmoment von einem hier nicht dargestellten Antriebsmotor in die Antriebsanordnung 2 zum Antreiben der Getriebeeinheit 3 eingeleitet werden. Die Getriebeeinheit 3 ist als Differential gestaltet, aber nicht darauf eingeschränkt. Das Antriebsrad 6 ist fest mit einem Gehäuse 7 verbunden ist, insbesondere mittels Schweißen, wobei auch andere Verbindungsarten wie Schraubverbindungen denkbar sind. Das Gehäuse 7 ist zweiteilig aufgebaut und umfasst ein erstes Gehäuseteil 8 und ein zweites Gehäuseteil 9, die im Bereich ihrer öffnungsseitigen Enden jeweils einen Flanschabschnitt 10, 12 aufweisen, mit dem sie mit dem Antriebsrad 6 verbunden sind. Die Getriebeeinheit 3 ist in dem Gehäuse 7 aufgenommen und um eine Drehachse A drehbar gelagert.
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Das Trägerelement 13 der Getriebeeinheit 3 ist ringförmig gestaltet und weist eine im wesentlichen zylindrische Außenfläche 14 auf, mit der das Trägerelement 13 gegenüber einem entsprechenden innenzylindrischen Flächenabschnitt 15 des Gehäuses 7 um die Drehachse A in dem Gehäuse 7 drehbar gelagert ist. In dem Trägerelement 13 sind zwei Bohrungen 16 vorgesehen, in die ein Zapfen 17 eingesteckt und mittels eines Sicherungsstifts 18 fixiert ist. Auf dem Zapfen 17 sind zwei Differentialräder 19 um eine Zapfenachse B drehbar gelagert. Die beiden Differentialräder 19 sind mit einem ersten und einem zweiten Seitenwellenrad 20, 22 in Verzahnungseingriff, die koaxial zur Drehachse A angeordnet sind. Die beiden Seitenwellenräder 20, 22 haben jeweils eine Längsverzahnung 23, in die eine entsprechende Gegenverzahnung einer Seitenwelle (nicht dargestellt) zur Drehmomentübertragung eingesteckt werden kann. Die beiden Seitenwellenräder 20, 22 sind jeweils gegenüber dem Gehäuse 7 über reibungsmindernde Scheiben axial abgestützt.
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Die Kupplung 4 ist als formschlüssige Kupplung gestaltet, insbesondere als Zahnkupplung, wobei auch andere Kupplungen verwendet werden können, beispielsweise eine Reibungskupplung. Die formschlüssige Kupplung 4 umfasst ein erstes Kupplungsteil 25, das mit dem Gehäuse 7 drehfest und axial beweglich verbunden ist, sowie ein zweites Kupplungsteil 26, das mit dem Trägerelement 13 fest verbunden ist. Das erste Kupplungsteil 25 ist relativ zum zweiten Kupplungsteil 26 axial beweglich und kann zur Übertragung eines Drehmoments in dieses eingerückt werden, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Kupplungsteilen 25, 26 entsteht. Durch erneutes Ausrücken des ersten Kupplungsteils 25 kann die Drehmomentübertragung wieder unterbrochen werden.
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Das erste Kupplungsteil 25, welches als Einzelheit in 4 dargestellt ist, hat einen Ringabschnitt 21, der außerhalb des Gehäuses 7 angeordnet ist, und mehrere über den Umfang verteilte Nockenelemente 27, die sich von dem Ringabschnitt 21 aus in axiale Richtung erstrecken. Die Nockenelemente 27 können auch als axiale Ansätze bezeichnet werden. Die Nockenelemente 27 greifen zur Drehmomentübertragung vom ersten Kupplungsteil 25 auf das Gehäuse 7 in beziehungsweise durch umfangsverteilte Öffnungen 40 des Gehäuses 7 ein, so dass das erste Kupplungsteil 25 gemeinsam mit dem drehend antreibbaren Gehäuse 7 rotiert. Dabei ist vorgesehen, dass das erste Kupplungsteil 25 relativ zum Gehäuse 7 axial geführt und koaxial zur Drehachse A zentriert ist. Die Führung und Zentrierung erfolgt über Flächenpaarungen, die jeweils zwischen einer Außenfläche 63 eines Nockenelements 27 und einer Innenfläche 64 einer Gehäuseöffnung 40 gebildet sind. Dabei sind zwischen den Außenflächen 63 der Nockenelemente 27 und den Innenflächen 64 der Öffnungen 40 jeweils Spielpassungen mit hoher Genauigkeit gebildet, damit eine axiale Beweglichkeit des ersten Kupplungsteils relativ zum Differentialgehäuse bei gleichzeitig guter radialer Zentrierung gewährleistet ist. Die Längsschnitte der Darstellungen sind so gewählt, dass die jeweils in der oberen Bildhälfte der 1 und 2 gezeigte Schnittebene (entsprechend auch die in 3 gezeigte Schnittebene) in Umfangsrichtung im Bereich zwischen einer Gehäuseöffnung 40 und einem Nockenelement 27 verläuft, während die jeweils in der unteren Bildhälfte der 1 und 2 gezeigte Schnittebene durch ein Nockenelement 27 verläuft.
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An ihren getriebeseitigen Enden haben die Nockenelemente 27 als Formschlussmittel jeweils ein Zahnringsegment 51. Die Zahnringsegmente 51 des ersten Kupplungsteils 25 sind mit einem Zahnring des zweiten Kupplungsteils 26 zur Drehmomentübertragung in Eingriff bringbar, wobei dieser Zahnring an der Stirnseite des Trägerelements 13 einteilig angeformt ist und eine zu den Zahnringsegmenten 51 gegengleiche Verzahnung hat. Durch Ansteuern des Aktuators 5 kann das erste Kupplungsteil 25 relativ zum zweiten Kupplungsteil 26 axial bewegt werden, wobei eine Drehmomentübertragung vom Antriebsrad 6 auf das Differentialgetriebe 3 in eingerücktem Zustand gewährleistet ist, während die Drehmomentübertragung in ausgerücktem Zustand unterbrochen ist.
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Es ist in 4 erkennbar, dass das erste Kupplungsteil 25 gemäß der vorliegenden Ausführungsform fünf Nockenelemente 27 mit jeweils einem stirnseitigen Zahnringsegment 51 aufweist. Es versteht sich, dass auch eine hiervon abweichende Anzahl von Nockenelementen 27, und dementsprechend auch eine andere Anzahl von Öffnungen 40, beispielsweise zwei, drei, vier oder auch mehr als fünf verwendet werden könnte. In Abwandung der zwischen erstem und zweitem Kupplungsteil 25, 26 vorgesehenen stirnseitigen Verzahnungen können prinzipiell auch andere Formschlussmittel verwendet werden, welche zur Übertragung eines Drehmoments formschlüssig miteinander in Eingriff bringbar sind, beispielsweise eine Hirthverzahnung, die auch als Plan-Kerb-Verzahnung bezeichnet wird. Mit der Summe aller Außenflächen 63 der über den Umfang verteilten Nockenelemente 27 wird das erste Kupplungsteil 25 relativ zum Gehäuse 7 koaxial zentriert und axial geführt.
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Der Aktuator 5 umfasst einen Elektromagneten 29 sowie einen Kolben 30. Dabei ist der Aktuator 5 so gestaltet, dass der Kolben 30 bei Bestromen des Elektromagneten 29 in Richtung Kupplung 4 beaufschlagt wird. Hierfür hat der Elektromagnet 29 ein ringförmiges Gehäuse 32, das an einem radial inneren und der Kupplung 4 zugewandten Ende eine Öffnung 33 aufweist. Innerhalb dieses Gehäuseabschnitts ist der Kolben 30 axial bewegbar angeordnet. Das Gehäuse 32 ist mittels eines Trägerelements 31 auf einem Hülsenansatz des zweiten Gehäuseteils 9 angeordnet. Der Kolben 30 umfasst ein Ankerelement 34 aus einem ferromagnetischen Werkstoff, beispielsweise einem Eisenwerkstoff, sowie eine Hülse 35 aus einem paramagnetischen Werkstoff, beispielsweise aus Edelstahl, Kupfer oder Aluminium. Das Ankerelement 34 ist hülsenförmig gestaltet und auf die Hülse 35 aufgepresst. Dadurch, dass das Ankerelement 34 aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt ist, wird es bei Betätigen des Elektromagneten 29 in Richtung der Kupplung 4 bewegt, wobei der Spalt 33 überbrückt wird. In der Endposition kommt das Ankerelement 34 gegen eine Schulter 36 des Magnetgehäuses 32 zur Anlage, wobei ein Reibkontakt entsteht. Die Hülse 35 ist paramagnetisch, damit eine ungewünschte Magnetflussleckage auf andere Bauteile verhindert wird.
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Die Hülse 35 ist axial länger als das Ankerelement 34 und hat eine Stirnseite, die mit einer Gleitscheibe 37 in Anlage ist. Die Gleitscheibe 37 ist mit dem ersten Kupplungsteil 25 axial abgestützt und sitzt insbesondere in einer ringförmigen Ausnehmung in einer Stirnseite des Ringabschnitts 21 ein. Die Gleitscheibe 37 ist aus einem reibungsmindernen Material hergestellt, beispielsweise aus Bronze, damit der Verschleiß aufgrund relativer Drehbewegung zwischen Ankerelement 34 und Gleitscheibe 37 reduziert ist.
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Radial außen ist am Ringabschnitt 21 das Geberelement 38 befestigt, und zwar derart, dass sich Geberelement 38 und erstes Kupplungsteil 25 bei Betätigung der Kupplung 4 gemeinsam bewegen. Hierfür hat der Ringabschnitt 21 einen umlaufenden Flansch 39, der als axialer Anschlag für das Geberelement 38 dient. Das Geberelement 38 ist in Form einer Ringscheibe gestaltet, die radial innen mit einem ringförmigen Abschnitt gegen den Flansch 39 axial abgestützt ist. Die Ringscheibe hat an ihrem radial außen liegenden Ende einen zylindrischen Mantelabschnitt 42. Eine Rückstellfeder 43 sitzt mit Vorspannung zwischen dem Gehäuse 7 und dem Geberelement 38 ein und beaufschlagt das Geberelement 38 gegen den Flansch 39. Insofern hat die Feder 43 zwei Funktionen, nämlich Rückstellfunktion zum Öffnen der Kupplung 4 bei unbetätigtem Aktuator 5 und axiale Fixierung des Geberelements 38 auf dem ersten Kupplungsteil 25. Die Rückstellfeder 43 ist vorliegend in Form einer Tellerfeder gestaltet, wobei es sich versteht, dass auch andere Formen von Federn, beispielsweise eine Schraubenfeder oder Kegelfeder, eingesetzt werden können.
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Es ist ferner ein Sensor 44 erkennbar, der axial im Bereich des Aktuators 5 angeordnet ist und mit dem Geberelement 38 zusammenwirkt. Der Sensor 44 ist vorliegend in Form eines Hallsensors gestaltet, der den Abstand zum Geberelement 38 berührungslos erfassen kann. Es kann aber auch ein anderer berührungsloser Sensor eingesetzt werden, beispielsweise ein induktiver Sensor. Der Sensor 44 ist in einem ortsfesten Gehäuse 41 (hier nur teilweise dargestellt) aufgenommen.
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In der geöffneten Stellung der Kupplung 4, das heißt in der Stellung, in der das Geberelement 38 an den Sensor 44 axial angenähert ist, ist zwischen dem Geberelement 38 und dem Sensor 44 ein geringer Spalt vorgesehen. Diese Stellung, bei der Kupplung 4 geöffnet ist, ist in 1 gezeigt. In 2 ist demgegenüber ein Schaltzustand gezeigt, bei dem die Kupplung 4 zur Drehmomentübertragung vom Antriebsrad 6 auf das Trägerelement 13 in eingerücktem Zustand ist. Es ist erkennbar, dass das Geberelement 38 gegenüber dem Sensor 44 zusammen mit dem ersten Kupplungsteil 25 in Richtung zum zweiten Kupplungsteil 26 beziehungsweise zur Getriebeeinheit 3 bewegt ist. In den 1 und 2 sind ferner Anschlusskabel 45 sowie eine Kabeldurchführung 46 zum Durchführen der Kabel 45 durch ein ortsfestes Gehäuse 41 erkennbar.
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Die Ermittlung des Abstands zwischen Geberelement 38 und Sensor 44 erfolgt in einer zentralen Regeleinheit (nicht dargestellt). Als Eingangsgrößen dienen zumindest das Sensorsignal des Sensors 44 sowie ein Stromstärkensignal des Elektromagneten 29. Hieraus wird dann der Abstand zwischen Sensor 44 und Geberelement 38 berechnet, wobei dieses Maß Rückschlüsse auf die Eingriffstiefe des ersten Kupplungsteils 25 in das zweite Kupplungsteil 26 zulässt.
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In 3 ist die Antriebsanordnung 2 gemäß 1 als vergrößertes Detail in leicht abgewandelter Ausführung gezeigt. Die Feder 43 ist hier in Form einer Kegelfeder anstatt einer Tellerfeder gestaltet.
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4 zeigt das erste Kupplungsteil 25 der 1 bis 3 als Detail in dreidimensionaler Darstellung von schräg vorne auf die Seite des Ringabschnitts 21, an der die Nockenelemente 27 mit den ersten Formeingriffsmitteln 51 angeordnet sind. Das erste Kupplungsteil 25 ist einteilig gestaltet und kann beispielsweise als Schmiedeteil beziehungsweise Sinterteil hergestellt werden. Das zweite Kupplungsteil 26 hat einen Ringabschnitt mit zweiten Formeingriffsmitteln, die gegengleich zu den ersten Formeingriffsmitteln 51 gestaltet sind, so dass die beiden Kupplungsteile 25, 26 zur Drehomentübertragung formschlüssig ineinander greifen können. Dabei sind die zweiten Formeingriffsmittel des zweiten Kupplungsteils 26 über den ganzen Umfang verteilt, so dass die beiden Kupplungsteile 25, 26 in jeder Drehstellung des ersten Kupplungsteils 25 miteinander in Eingriff gebracht werden können.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung 2 in einer weiteren Ausführungsform. Diese entspricht weitestgehend den Ausführungsformen gemäß den 1 bis 4, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche beziehungswesie abgewandelte Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen, wie in den 1 bis 4. Der in 5 gezeigte Längsschnitt verläuft im Umfangsbereich zwischen einer Gehäuseöffnung 40 und einem Nockenelement 27, weswegen der Ringabschnitt 21 des ersten Kupplungsteils 25 schraffiert und das Nockenelement 27 nicht schraffiert ist. Im Folgenden wird insbesondere auf die Besonderheiten der vorliegenden Ausführungsform eingegangen.
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Eine Besonderheit der Ausführungsform gemäß 5 liegt darin, dass das Geberelement 38 mit dem Ringabschnitt 21 des ersten Kupplungsteils 25 einteilig gestaltet ist. Diese hat den Vorteil einer besonders geringen Teilezahl. Der Ringabschnitt 21 kann wiederum einteilig mit den Nockenelementen 27 gestaltet oder mit diesen verbunden sein. Es ist erkennbar, dass das Geberelement 38 in Form einer Ringscheibe ausgebildet ist, welche sich von dem Ringabschnitt 21 des ersten Kupplungsteils 25, von dem die Nockenelemente 27 axial abstehen, nach radial außen bis zu einem Sensierbereich des Sensors 44 erstreckt. Die Dicke der Ringscheibe 38 ist größer als bei der Ausführungsform gemäß den 1 bis 4. Hieraus ergibt sich eine größere Steifigkeit der Ringscheibe 38, was wiederum zu einer hohen Maßhaltigkeit und genauen Sensierung führt. Die Baueinheit aus ringscheibenförmigen Geberelement 38 und erstem Ringabschnitt 21, beziehungsweise erstem Kupplungsteil 25, ist vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material hergestellt.
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6 zeigt die erfindungsgemäße Antriebsanordnung 2 gemäß den 1 bis 4 als Teil eines Elektroantriebs 47 in schematischer Darstellung. Der Elektroantrieb 47 umfasst einen Elektromotor 48, der über eine Getriebestufe 49 die Antriebsanordnung 2, beziehungsweise das Antriebsrad 6 der Antriebsanordnung 2, antreibt. Von dem Differentialgetriebe 3 wird das bei geschlossener Kupplung 4 eingeleitete Drehmoment auf die beiden Seitenwellenräder 20, 22 übertragen. In die Längsverzahnungen 23 der Seitenwellenräder 20, 22 sind entsprechende Seitenwellen 50, 52 zur Drehmomentübertragung drehfest eingesteckt. An den Enden der Seitenwellen 50, 52 befinden sich Gleichlaufdrehgelenke 53, 54, welche wiederum über Gelenkwellen 55, 56 und Gelenke 57, 58 mit Rädern 59, 60 des Kraftfahrzeugs zur Übertragung eines Drehmoments verbunden sind. Es ist erkennbar, dass die Antriebsanordnung 2 mittels Lagern 61, 62 gegenüber dem stehenden Gehäuse 41 um die Drehachse A drehbar gelagert ist.
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Elektroantriebe 47 haben einen begrenzten Drehzahlbereich und werden daher meist als Zusatzantrieb in einem Kraftfahrzeug verwendet, das einen Verbrennungsmotor als Hauptantrieb aufweist. Dabei wird der Elektromotor 48 vor allem bei niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeiten zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet, beispielsweise im Stadtverkehr, wo es zu häufigem Anfahren und Abbremsen kommt. Hier ist eine gute Traktion sowie ein gutes Anfahrverhalten aufgrund eines verhältnismäßig hohen zur Verfügung stehenden Drehmoments des Elektromotors gegeben. Bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten, beispielsweise bei Überlandfahrten, wird der Elektromotor 48 abgeschaltet, damit das Schleppmoment des Elektromotors keinen negativen Effekt auf die Effizienz des Kraftfahrzeugs beziehungsweise den Kraftstoffverbrauch hat. Zum Abkoppeln des Elektromotors 48 wird die steuerbare Kupplung 4 verwendet, die im Leistungspfad zwischen dem Elektromotor 48 und dem Differentialgetriebe 3 angeordnet ist. Bei geöffneter Kupplung 4 stehen dann alle im Leistungspfad der Kupplung 4 vorgeschalteten Bauteile still, was sich günstig auf Reibungsverluste und damit den Kraftstoffverbrauch auswirkt.
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Insgesamt hat die erfindungsgemäße Antriebsanordnung 2 gemäß den oben genannten Ausführungsformen den Vorteil einer besonders sicheren und formstabilen Verbindung zwischen dem Geberelement 38 und dem ersten Kupplungsteil 25. Ungewünschte Verformungen des Geberelements können somit vermieden oder zumindest reduziert werden, was sich günstig auf die Genauigkeit der Sensierung im Zusammenspiel mit dem Sensor auswirkt. Ein weiterer Vorteil des außerhalb des Gehäuses 7 angeordneten Ringabschnitts 21 des ersten Kupplungsteils 25 liegt darin, dass das erste Kupplungsteil 25 samt Geberelement 38 einfach und kostengünstig montierbar ist. Außerdem wird die mit dem ersten Kupplungsteil 25 verbundene Gleitscheibe 37, welche mit dem Aktuator 5 zusammenwirkt, in günstiger Weise über den gesamten Umfang abgestützt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Differentialanordnung
- 3
- Differentialgetriebe
- 4
- Kupplung
- 5
- Aktuator
- 6
- Antriebsrad
- 7
- Differentialgehäuse
- 8
- erstes Gehäuseteil
- 9
- zweites Gehäuseteil
- 10
- Flanschabschnitt
- 12
- Flanschabschnitt
- 13
- Differentialträger
- 14
- Außenfläche
- 15
- Flächenabschnitt
- 16
- Bohrung
- 17
- Zapfen
- 18
- Sicherungsstift
- 19
- Differentialräder
- 20
- Seitenwellenrad
- 21
- Ringabschnitt
- 22
- Seitenwellenrad
- 23
- Längsverzahnung
- 25
- erstes Kupplungsteil
- 26
- zweites Kupplungsteil
- 27
- Ansatz
- 28
- Durchbrüche
- 29
- Elektromagnet
- 30
- Kolben
- 31
- Trägerelement
- 32
- Magnetgehäuse
- 33
- Spalt
- 34
- Ankerelement
- 35
- Hülse
- 36
- Schulter
- 37
- Gleitring
- 38
- Geberelement
- 39
- Flanschabschnitt
- 40
- Öffnung
- 41
- ortsfestes Gehäuse
- 42
- Mantelabschnitt
- 43
- Rückstellfeder
- 44
- Sensor
- 45
- Kabel
- 46
- Kabeldurchführung
- 47
- Antriebsanordnung
- 48
- Elektromotor
- 49
- Getriebe
- 50
- Welle
- 51
- Formschlussmittel
- 52
- Welle
- 53
- Gelenk
- 54
- Gelenk
- 55, 56
- Gelenkwelle
- 57, 58
- Gelenk
- 59, 60
- Rad
- 61, 62
- Lager
- 63
- Außenfläche
- 64
- Innenfläche
- A
- Drehachse
- B
- Zapfenachse
